Hyper-Kamiokande de Japón: el mayor observatorio de neutrinos del mundo, listo para desvelar los misterios más profundos del universo

La llegada de Hyper-Kamiokande: una nueva era en la ciencia de los neutrinos

En las profundidades de las montañas de Hida, en la prefectura de Gifu, Japón, está tomando forma una monumental iniciativa científica. El observatorio de neutrinos Hyper-Kamiokande, que está a punto de convertirse en el detector de su tipo más grande y sensible del mundo, abrió recientemente a la prensa, por primera vez, su inmensa caverna subterránea. Este hito representa un paso importante para desentrañar algunos de los misterios más profundos del universo, desde el origen de la materia hasta el destino del cosmos.

Está previsto que Hyper-Kamiokande comience sus observaciones en 2027–2028. También conocido como Hyper-K o HK, sucederá al célebre detector Super-Kamiokande. Con una caverna de 94 metros de altura y 69 metros de diámetro, y un tanque proyectado para contener 260.000 toneladas de agua ultrapura, Hyper-Kamiokande superará ampliamente a sus predecesores y ampliará de manera considerable las fronteras de la física de partículas y la astrofísica.

¿Qué son los neutrinos y por qué son importantes?

Los neutrinos se encuentran entre las partículas más abundantes del universo, pero también entre las más difíciles de detectar. A veces llamados «partículas fantasma», no tienen carga eléctrica, son increíblemente pequeños —unas 100.000 veces más ligeros que un electrón— e interactúan tan débilmente con la materia que billones de ellos atraviesan el cuerpo de una persona cada segundo sin dejar rastro. Pese a su abundancia, los neutrinos son notoriamente difíciles de detectar, por lo que se necesitan detectores enormes y sensibles, protegidos de los rayos cósmicos y otras fuentes de ruido de fondo.

Comprender los neutrinos es fundamental porque sus propiedades podrían ayudar a responder algunas de las mayores preguntas de la física: por qué el universo está compuesto principalmente de materia y no de antimateria, cómo explotan las estrellas en las supernovas y si los protones —los componentes básicos de los átomos— son realmente estables o pueden desintegrarse a lo largo de periodos inimaginablemente prolongados.

El proyecto Hyper-Kamiokande: una ambición a gran escala

Hyper-Kamiokande se está construyendo a 600 metros bajo tierra, en la zona de Kamioka, en la ciudad de Hida, prefectura de Gifu. El lugar fue elegido por la estabilidad de su roca, la infraestructura minera existente y la protección natural que brinda la montaña, que filtra los rayos cósmicos y otras partículas que podrían interferir. El detector principal será un gigantesco tanque cilíndrico, de 71 metros de altura y 68 metros de diámetro, revestido con más de 20.000 tubos fotomultiplicadores (PMT) ultrasensibles, diseñados para captar los débiles destellos de luz de Cherenkov que se producen cuando un neutrino interactúa con las moléculas de agua.

La escala del proyecto no tiene precedentes: Hyper-Kamiokande contendrá alrededor de ocho veces el volumen de agua de Super-Kamiokande, lo que le permitirá observar muchas más interacciones de neutrinos y hacerlo con mucha mayor precisión. El proyecto está dirigido por el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos (ICRR) de la Universidad de Tokio, en colaboración con la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK) y más de 100 instituciones de más de 20 países. Se trata, por tanto, de una iniciativa científica verdaderamente mundial.

Hitos y desafíos de la construcción

La excavación de la caverna principal comenzó en 2021, tras años de planificación, estudios geológicos y colaboración internacional. El túnel de acceso, que se adentra 2 kilómetros en la montaña, se terminó a comienzos de 2022, y la sección abovedada de la caverna principal quedó lista a finales de 2023. La sección cilíndrica, que constituye la mayor parte del volumen del detector, se está excavando por etapas y se esperaba completar en 2024. El aumento de los costos de los materiales y los desafíos de ingeniería han retrasado el inicio de las observaciones, previsto originalmente para 2027, hasta 2028, pero el proyecto sigue encaminado a cumplir sus ambiciosos objetivos.

El profesor Masato Shiozawa, del ICRR y una de las principales figuras del proyecto, expresó su optimismo durante la reciente presentación:

«Nuestro objetivo es obtener resultados que cambien de manera fundamental nuestra comprensión de las partículas elementales».

Una vez terminada la caverna, los ingenieros instalarán el tanque, lo revestirán con fotodetectores y lo llenarán de agua ultrapura. Toda la instalación está diseñada para reducir al mínimo el ruido de fondo y maximizar la sensibilidad a las señales raras y sutiles producidas por las interacciones de neutrinos.

¿Cómo detecta neutrinos Hyper-Kamiokande?

La detección de neutrinos se basa en un fenómeno llamado radiación de Cherenkov. Cuando un neutrino choca ocasionalmente con un electrón o un núcleo del agua, puede producir una partícula con carga eléctrica que se desplaza más rápido que la luz en el agua, aunque no más rápido que la luz en el vacío. Esto genera un débil destello azul en forma de cono —la radiación de Cherenkov— que pueden detectar los tubos fotomultiplicadores que revisten el tanque.

Al analizar el momento y el patrón de esos destellos, los científicos pueden reconstruir la energía, la dirección y el tipo (o «sabor») del neutrino que llega. El enorme tamaño de Hyper-Kamiokande y sus sensores avanzados le permitirán detectar neutrinos procedentes de una amplia variedad de fuentes, entre ellas:

• Neutrinos producidos por rayos cósmicos que chocan contra la atmósfera terrestre
• Neutrinos solares generados en el interior del Sol
• Neutrinos de supernovas lejanas y otros fenómenos cósmicos
• Haces artificiales de neutrinos producidos en el acelerador J-PARC, a 295 kilómetros, en Tokai, prefectura de Ibaraki

Objetivos científicos: investigar los secretos más profundos del universo

Hyper-Kamiokande está diseñado para abordar algunas de las preguntas más fundamentales de la física y la cosmología. Entre sus principales objetivos científicos se encuentran:

1. Investigar las oscilaciones de neutrinos y la violación de CP

Hay tres tipos de neutrinos —electrónico, muónico y tauónico—, y pueden transformarse de un tipo en otro mientras viajan. Este fenómeno se conoce como oscilación de neutrinos. El descubrimiento, realizado en Super-Kamiokande en 1998, demostró que los neutrinos tienen masa y fue reconocido con el Premio Nobel de Física de 2015.

Una de las principales prioridades de Hyper-Kamiokande es estudiar si los neutrinos y sus contrapartes de antimateria —los antineutrinos— oscilan de manera diferente. Esta diferencia se conoce como violación de la simetría de carga y paridad (CP). Si se confirma, la violación de CP en los neutrinos podría ayudar a explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo, un misterio central de la cosmología.

Al comparar los haces de neutrinos y antineutrinos enviados desde J-PARC y medir sus oscilaciones con una precisión sin precedentes, Hyper-Kamiokande espera ofrecer una respuesta definitiva a esta pregunta. Tras una década de recopilación de datos, se prevé que el experimento alcance una medición de violación de CP con un nivel de confianza de «5 sigma», considerado el estándar de oro, para un amplio rango de valores posibles.

2. Buscar la desintegración del protón: poner a prueba las teorías de gran unificación

La desintegración del protón es un proceso hipotético que predicen muchas teorías que buscan unificar las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Si los protones pueden desintegrarse, significaría que, en última instancia, la materia es inestable a lo largo de periodos extremadamente prolongados, mucho mayores que la edad del universo. Detectar la desintegración del protón revolucionaría nuestra comprensión de la física y podría señalar el camino hacia una «teoría del todo».

Gracias a su enorme volumen y a sus detectores sensibles, Hyper-Kamiokande será el mejor laboratorio del mundo para buscar la desintegración del protón. Aunque no se observe ninguna, el experimento establecerá nuevos límites inferiores para la vida media del protón, lo que permitirá restringir o descartar numerosos modelos teóricos.

3. Observar neutrinos de supernovas y neutrinos relictos

Cuando una estrella masiva explota como supernova, libera una oleada de neutrinos que puede llegar a la Tierra antes que la luz de la explosión. Hyper-Kamiokande podrá detectar decenas de miles de neutrinos procedentes de una supernova de nuestra galaxia, lo que ofrecerá una perspectiva única de los procesos que crean elementos pesados y dan forma a la evolución del cosmos.

Además, el detector buscará el fondo difuso de neutrinos relictos procedentes de todas las supernovas pasadas. Esto aportará información sobre la historia de la formación estelar y el ciclo de la materia en el universo.

4. Estudiar neutrinos solares, atmosféricos y geoneutrinos

Hyper-Kamiokande continuará el legado de sus predecesores al medir neutrinos solares, investigar el funcionamiento interno del Sol y poner a prueba modelos de física estelar. También estudiará neutrinos atmosféricos para mejorar nuestra comprensión de las oscilaciones de neutrinos y del orden de sus masas.

Los geoneutrinos, producidos por la desintegración radiactiva en el interior de la Tierra, ayudarán a los científicos a investigar la estructura interna del planeta y la generación de calor, con posibles implicaciones para la geología y el campo geomagnético.

Colaboración internacional e innovación tecnológica

El proyecto Hyper-Kamiokande es un modelo de cooperación científica internacional. Participan más de 560 investigadores de más de 100 instituciones de 21 países, con importantes contribuciones de Japón, Reino Unido, Canadá, Italia, México y otros países. El presupuesto del proyecto, estimado en unos 600 millones de dólares, se financia principalmente con fondos del Gobierno japonés, junto con un importante apoyo de socios internacionales.

Los avances tecnológicos son fundamentales para las capacidades de Hyper-Kamiokande. Los nuevos tubos fotomultiplicadores, desarrollados por la empresa japonesa Hamamatsu y otros socios, son más sensibles y fiables que los de generaciones anteriores. El sistema de purificación del agua, esencial para reducir el ruido de fondo, es uno de los más avanzados del mundo. Se utilizan aprendizaje automático e inteligencia artificial para analizar las enormes cantidades de datos que se generan, y participan instituciones como el Tecnológico de Monterrey, en México, que aporta conocimientos especializados en software y procesamiento de datos.

El legado de Japón en la investigación de neutrinos

Japón lleva décadas a la vanguardia de la ciencia de los neutrinos. En la década de 1980, el experimento original Kamiokande logró la primera detección de neutrinos solares y observó neutrinos de la supernova SN1987A, lo que contribuyó a que Masatoshi Koshiba recibiera el Premio Nobel de 2002. Super-Kamiokande, construido en la década de 1990, descubrió las oscilaciones de neutrinos y ha sido fundamental para ampliar nuestra comprensión de estas partículas.

El experimento T2K, que envía un haz de neutrinos desde J-PARC hasta Super-Kamiokande, ha proporcionado mediciones clave de las propiedades de los neutrinos y preparado el terreno para la investigación de nueva generación de Hyper-Kamiokande. El nuevo observatorio continuará ese legado, ampliará las fronteras del conocimiento e inspirará a las futuras generaciones de científicos.

Competencia mundial y experimentos complementarios

Hyper-Kamiokande forma parte de una competencia mundial para desvelar los secretos de los neutrinos. Entre otros grandes proyectos figuran el Experimento de Neutrinos Subterráneo Profundo (DUNE), en Estados Unidos, que utiliza tecnología de argón líquido, y el Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen (JUNO), en China. Cada experimento tiene fortalezas y enfoques propios, y sus resultados se complementarán entre sí, permitirán contrastar hallazgos y ofrecerán una visión más completa del mundo de los neutrinos.

Como ha señalado Takaaki Kajita, ganador del Premio Nobel y uno de los líderes en este campo, la complementariedad de estos experimentos es fundamental para lograr avances científicos sólidos. La tecnología de Cherenkov en agua, ya probada en Hyper-Kamiokande, combinada con su escala sin precedentes, le da una ventaja en sensibilidad y versatilidad.

Lo que viene: las posibilidades de Hyper-Kamiokande

Con la excavación a punto de terminar y el inicio próximo de la instalación de los componentes del detector, crece la expectativa en la comunidad científica. Los primeros datos de Hyper-Kamiokande podrían llegar en 2027–2028, lo que daría inicio a una nueva era de descubrimientos.

El director Shiozawa Masato, del ICRR, resumió el entusiasmo y la ambición del proyecto:

«Espero que los resultados de la investigación sorprendan a todo el mundo, por lo que animo a la gente a mantenerse al día sobre el proyecto».

Ya sea que revele los secretos de las oscilaciones de neutrinos, capte el primer indicio de la desintegración del protón o proporcione alertas tempranas sobre supernovas, Hyper-Kamiokande está a las puertas de una etapa de ciencia transformadora. Sus descubrimientos podrían cambiar nuestra comprensión del universo y de nuestro lugar en él.

En resumen

• Hyper-Kamiokande está destinado a convertirse en el observatorio de neutrinos más grande y sensible del mundo. Está situado a 600 metros bajo tierra, en Hida, prefectura de Gifu, Japón.
• El proyecto busca responder preguntas fundamentales sobre el universo, entre ellas el origen de la materia, la estabilidad de los protones y el comportamiento de los neutrinos.
• La construcción de la caverna principal está a punto de terminar. Se prevé instalar el detector y comenzar las primeras observaciones en 2027–2028.
• Hyper-Kamiokande utilizará un enorme tanque de agua ultrapura y decenas de miles de tubos fotomultiplicadores para detectar los débiles destellos de luz producidos por las interacciones de neutrinos.
• El experimento es una iniciativa de colaboración mundial en la que participan más de 100 instituciones de más de 20 países, y que incorpora importantes innovaciones tecnológicas y científicas.
• El liderazgo de Japón en la investigación de neutrinos, reconocido con dos premios Nobel, continuará con Hyper-Kamiokande, que complementará otros grandes experimentos internacionales.
• La comunidad científica espera que se produzcan descubrimientos revolucionarios que podrían cambiar de manera fundamental nuestra comprensión de la física y el universo.